单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计新.docx
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单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计新
黄冈师范学院
本科生毕业论文
题目：
单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计
专业年级：
电子信息科学与技术（2005级）
学号：
200522340219
学生姓名：
李青
指导教师：
雷学堂
论文完成日期2009年05月
单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计
专业：
电科班级：
200502作者：
李青指导老师：
雷学堂
摘要
本课题是讲述无刷直流电机控制系统集电机、逆变电路、检测元件、控制软件和硬件于一体，具有高可靠、高效率、寿命长、调速方便等优点，在电动调速领域有着广泛的应用。
电动自行车的发明和使用对解决燃油车造成的严重环境污染和缓解日益突出的能源危机问题有一定的现实意义。
根据项目参数要求，采用Microchip公司的PIC16F72单片机作为控制芯片，在硬件方面，进行了电源电路设计、系统硬件保护电路设计、三相全桥逆变电路设计、逆变器驱动电路设计。
在软件方面利用汇编语言，采用模块化编程和结构化编程。
根据无刷直流电机的控制原理，对系统的控制部分进行了详细分析。
利用数字PI控制理论实现电机速度的闭环调制。
在系统可靠性方面:
设计了系统的欠压、过流和堵转保护。
本文还对影响控制器和单片机系统可靠性的因素进行了分析，并且给出了解决方案.本文所设计的无刷电机控制器实现了电动、定速、助力三种工作模式并且在系统出错情况下具有自检功能。
保护功能较完善、硬件结构简单、成本较低，具有升级空间，便于用户二次开发。
关键词
无刷直流电机,PIC单片机,电动自行车,控制系统
TheDesignofTheBrushlessDCMotor
ControlSystem
Speciality:
diankeclass:
0502Author:
liqingTuor:
leixuetang
Abstract
Thisthesisispartoftheprojectnamed"thecontrolleroftheBrushlessDCMotorforelectric-bike".ThecontrolsystemconsistsofBrushlessDCMotor,controllingpart,sensorpart,hardwareandsoftwarecontrollingpart.Withitsuniqueadvantagesofhighefficiency,highreliability,goodcontrolabilityandmaintenance-free,itiswidelyusedinmanyfields.Todevelopthelectric-bikewillbehelpfultosolvethepollutionproblemcausedbythewastegasfromthegasoline-automobilesandenergysourcesproblems.ThetaskistodesignaBrushlessDCMotor（BLDCM）controlsystemforelectric-bike.Accordingtotheproject,PIC16F72MCUproducedbyMicrochipCompanyhasbeenselected.Thedesignofhardwareincludingpowercircuit,hardwareprotectioncircuit,electroniccommutatecircuithavebeencarriedout.Thesoftwarewasdesignedfollowingtheprincipleofmodularizationandstructuredprogrammingandusingassemblyastheprogrammelanguages.TypicalPIcontrolstheoryisusedtocontrolthespeed.Lessvoltageprotection,currentexcessiveprotectionandwrongangleprotectionaredesignedtoreinforcethesystem.Also,factorsthataffectthereliabilityofthesystemarediscussedinthispaper,andsomemethodsareintroducedsoonafter.Thiscontrollerrealizesthreeworkmodes-electromotion,stationaryspeedandassistingworkmode.Anotherself-testmode,whichworksundererror,isalsodesigned.ThiskindofbrushlessDCmotorcontrolsystemissuperiorinmanyfieldssuchashighreliability,simplehardwarestructure,lowcost,andconvenientforthefurtherdevelopment.
KeyWords
Electricbike,BrushlessDCMotor,PIC,ControlSystem
1.概论
1.1无刷直流电机的现状
有刷直流电动机作为最早的电动机广泛应用于工农业生产的各个领域，由于其宽阔而平滑的优良调速性能，在需要调速的应用领域占有重要地位，但机械换向装置的
存在，限制了其发展和应用范围。
直流电动机的机械电刷和换向器因强迫性接触，造成其结构复杂、可靠性差、火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能。
科学技术的飞速发展，带来了半导体技术的飞跃，开关型晶体管的研制成功为创造新型的无刷直流电动机带来生机。
1955年，美国人首次提出用晶体管换向线路代替机械换向装置，经过反复实验，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电动机的机械换相装置，出现了磁电祸合式、光电式及霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电动机，以后人们发现电量波形和转子磁场的位置存在着一定的对应关系，因此又出现了通过观测电枢绕组中不同电量波形，监测转子位置的无位置传感器的电动机。
80年代初，无刷直流电机进入了实用阶段，方波和正弦波无刷直流电机先后研究成功。
“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换相器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换相电机。
现今，无刷直流电机集电机、变速机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成为新一代的电动调速系统。
无刷直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在:
调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（启动转矩大，启动电流小），运行平稳，噪音低，效率高，应用场合从工业到民用极其广泛。
如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等等.由于无刷直流电机具有这些优点，因此在2004年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一发展趋势。
美、日、英、德在工业自动化领域中已经实现了以无刷直流电机代替有刷电动机的转换。
美国福特公司率先把无刷直流电机应用于汽车20世纪80年代以来，随着微机控制
技术的快速发展，出现了各种称为无位置传感器控制技术的方法，是当代无刷直流电机控制研究的热点之一。
各国知名半导体公司如Allegro,Philips,MicroLinear,Toshiba等，先后推出了许多无刷直流电机无传感器控制集成电路。
2004年12月我国电机制造业共1167家生产企业，全部从业人员388282人，资产
972亿。
我国生产的微特电机己经占世界60%以上，目前是全球最大的永磁体（生产无
无刷直流电机控制系统设计刷电机的主要原材料）生产供应基地，中国还将会成为全球最大的无刷电机生产国。
随着汽车工业的快速发展，车用小功率电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体的车用小功率电机的兴起，我国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应商。
1.2电动自行车介绍及发展前景
1.2.1电动自行车概况
电动自行车一般分为两类，一种是"零启动电动自行车"，一般称为电动自行车，这种电动自行车尽管有脚踏骑行功能但可以完全靠电动骑行。
还有一种"智能型电动自行车"，这种智能型电动自行车不能完全电动骑行，是需要人力骑行的助力电动自行车，一般为一比一助力即人机对等出力。
不过现在有些电动车控制器将这两种功能综合在一起，通过功能选择按键可以选择相应的骑行模式。
据助力车专业委员会不完全统计，全国电动自行车的销售量1998年为5.4万辆，1999年为14万辆，2000年为29万辆，2001年电动自行车的实际销量已超过58万辆，2004年更高达400多万辆，今年则可望达到500万辆，主要销售在苏浙沪、天津一带，在鼓励电动自行车的上海，电动自行车拥有量已达120万辆，其中2005年共销售电动自行车40万辆。
专家预计，到2008年我国电动自行车年销量可突破1000万辆，电动自行车制造业已进入高速发展时期。
据中国自行车协会统计，目前全国电动自行车保有量已超过1000万辆。
目前全国自行车的保有量在4亿辆左右，以10％被电动自行车替代，每辆电动自行车2000~3000元计算，这个市场将达到1000亿元左右。
千亿元的大蛋糕让人心动，全国已经在自行车的发展基地上自然形成了三大电动自行车板块：
以天津为首的天津、南京板块，以上海为首的江浙板块以及以广州为首的广东板块，三足鼎立。
中国自行车协会理事长王凤和指出，作为绿色环保产品，电动自行车的发展全国不平衡，其中江浙沪地区占了总额的80％，以旅游城市杭州为例，2003年电动自行车保有量为40万辆，而自行车为100万辆，已经占到40％。
国外的电动车业近年来也得到了快速的发展。
从全球市场上看，日本雅马哈、本田、三洋、松下等知名公司纷纷进入电动自行车行业，而且日益扩大生产规模；德国、英国、奥地利、意大利、美国等国著名的自行车厂商和公司，也不断加入电动自行车的开发、生产和销售，电动自行车的销售也呈逐年上升趋势。
据资料介绍，全球电动自行车数量，在过去6年中，从3.6万辆剧增到50万辆。
这样说来，电动车作为暂时的"替代品"或最终的交通、休闲用具，市场前景都不可限量。
1.2.2发展前景
电机是电动自行车的关键部件。
为使电动自行车有良好的使用性能，驱动电机应具有宽调速范围、高转速和足够大的起动转矩。
此外，由于电动自行车的驱动电机是车载形式运行的，这要求电机体积小、重量轻、效率高、且具有良好的能量回馈性能。
稀土永磁无刷直流电机是近20年发展起来的一类电机，电力电子技术，微电子技术、微机和稀土永磁材料的发展为无刷直流电机的研究奠定了基础。
目前无刷直流电机的发展已经和大功率开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、微机、新型控制理论及电机理论的发展紧密结合，显示出广泛的应用前景和强大的生命力。
与其它电机相比它具有几个明显优点：
①永磁无刷直流电机没有电刷、而是利用电子换相，故克服了任何由电刷硬气的问题。
②永磁体安装在转子上、电枢绕组装在定子上，故导热性能好，产生的热量更容易散发出去；结构也变得简单，并且节省了空间，使其磁场损失也得到了减少。
③它的效率与转速永远保持同步关系，不会发生失步、震荡等现象，在节约能源方面也有明显优势。
近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步发展，新产品、新技术层出不穷。
许多电动车生产厂家都应用了一系列的电动车新技术，大大增强了自身品牌在市场上的影响，也颇受消费者的关注。
麦科集团电助动车公司研制出智能变频电机，变频控制器和变频高效电机共同组成高效动力系统，充分利用小电流大扭矩原理，在其行过程中根据路况和载重情况及时调整输出功率；北京新日电动车研制开发了双动力电动车，与普通电动车相比，双动力电动车拥有两个动力源，可实现在两个不同恶毒点留下的效能转换，即实现高效动力档和高速动力档的转换；莫拉克公司开发出在骑行的同时就能给蓄电池充电的电动车，可以提高电动自行车一次充电续驶里程。
电动自行车作为自行车史上具有革命性的交通工具，在给人们生活带来方便的同时，也对整个社会的经济产生了积极的影响。
物美价廉的电动自行车有着巨大的市场需求。
电动自行车在整车设计、驱动系统、电池管理，尤其是锂电池、燃料电池等高性能电池的研制方面不断取得突破。
驱动系统的可靠性与安全性，促进整车效率，而且可以节约能源和降低自行车的维护成本，从而推动电动自行车的广泛应用。
1.3本设计的主要工作
论文对无刷直流电机的控制原理进行了详细分析，依据无刷直流电机特性，针对电动自行车的控制需求，进行了无刷直流电机控制系统的设计。
技术指标如下:
系统正常工作电压36V;最低工作电压31V;最大工作电流10A;
最大输出功率360W。
1.3.1硬件部分
硬件部分以PIC16F72单片机作为控制芯片，逆变器由6个MOSFET管组成。
通过微控制单元电路、逆变器驱动电路等电路模块的设计，实现了电机的智能控制以及欠压保护、过流保护、堵转保护等保护功能，可靠的对电动车电机和电池进行保护，确保电动车使用及安全。
1.3.2软件部分
在软件方面利用汇编语言，采用模块化编程和结构化编程。
实现了信号的采集及处理，实现了电动自行车的电动、定速和助力三种工作模式并且在系统出错情况下具有自检功能。
利用数字PI控制理论实现电机速度的闭环调制。
具体设计下:
①选用PIC16P72单片机作为主控芯片;
②采用开关型霍尔传感器作为电机转子位置传感器;
③通过对PIC单片机编程，实现电动车电动、定速和助力三种工作模式;
④通过硬件电路和软件编程，实现系统自检、欠压、过流、堵转保护功能;
⑤通过软硬件设计，实现电动自行车仪表盘显示控制;
⑥利用PI控制理论实现电机速度的闭环调制;
本设计实现了无刷直流电机的自动控制，硬件结构简单、成本较低，具有升级空间，便于用户二次开发。
设计中，利用PIC开发环境完成软件编写和调试;利用逻辑分析仪和示波器等完成硬件调试;借助于电动自行车实体，对软硬件参数进行测试，实现结构优化。
2.无刷电机控制系统分析
2.1三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理
无刷直流电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数的影响，在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。
无刷直流电机控制器包括电源部分和控制部分，如图2.1所示。
电源部分提供三相电源给电机，控制部分则按照需求转换电源频率。
电源部分可以直接以直流电输入或者以交流电输入，如果是以交流电输入就需先经转换器（converter）转成直流电。
不论是直流电输入或是交流电输入，送入电机线圈前须先将直流电压由逆变器（inverter）转成三相电压来驱动电机。
逆变器一般由六个功率晶体管，分为上桥臂和下桥臂，连接电机作为控制流经电机线圈的开关。
控制部分则提供PWM脉冲宽度调制信号决定功率晶体管开关频率及逆变器换相的时机。
对于无刷直流电机，当负载变动时，一般希望速度可以稳定于设定值而不会有太大的变动，所以电机内部装有霍尔传感器（hall-sensor），作为速度的闭回路控制，同时也作为相序控制的依据。
电机转动由霍尔传感器感应到的电机转子所在位置，决定开启或关闭逆变器中功率晶体管的顺序来控制，如图2.2所示，逆变器中的AH,BH,CH（上桥臂功率晶体管）
及AL,BL,CL（下桥臂功率晶体管），使电流依序流经电机线圈，产生顺向或逆向旋转
磁场，并与转子磁铁产生的磁场相互作用，使电机顺向或逆向转动。
当电机转子转动到霍尔传感器感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环，电机就可以实现转动.功率晶体管的开启方法举例如下:
AH,BL一组—>AH,CL一组—>BH,CL一组—>BH,AL一组—>CH,AL一组—>CH、BL一组，但不能使AH,AL或BH,BL或CH,CL，即同相上下桥臂同时导通.此外，因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂（或下臂）尚未完全关闭，下臂（或上臂）就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。
设电机转子位置传感器采集的位置信号为Ha,Hb,Hc，分别对应于逆变器的A相、B相、C相，则当前位置与下一位置电子开关导通相的对应关系如表2.1所示。
在电机转动时，控制部分会根据系统设定的速度决定功率管的导通时间。
若系统要求加速，则增长功率管导通的时间，若要求减速，则缩短功率管导通的时间，此部分工作由PWM脉宽调制信号控制。
图2.1三相无刷直流电机工作原理
InverterMOTOR
图2.2逆变器原理图
表2.1霍尔位置信号与换相的关系
正向当前位置（Ha,Hb,Hc）下一位置导通相
100AH,CL
110BH,CL
010BH,AL
011CH,AL
001CH,BL
101AH,BL
反向当前位置（Ha,Hb,Hc）下一位置导通相
001CH,AL
011CH,BL
010AH,BL
110AH,CL
100BH,CL
101BH,AL
2.2直流电动机的PWM调速原理
直流调速系统中应用最广泛的一种调速方法就是调节电枢电压。
改变电枢电压调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。
为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制PWM）技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。
它被越来越广泛的应用在各种功率的调速系统中。
本系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制（PWM）来控制电动机电枢电压，实现调速。
图2.3是对电机进行PWM调速控制时的电枢绕组
两端的电压波形。
当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压
秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0,tz秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。
U1
1T
U0
Ust1t2
0
图2.3输入输出电压波形
电动机电枢绕组两端的电压平均值
。
为:
式中占空比a表示在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值，a变化范围为0-1之间。
所以当电源电压Us不变时，电枢的端电压的平均值U。
取决于占空比的大小，改变a值就可改变端电压的平均值，从而达到调速的目的.理想空载转速与占空比a成正比。
3.无刷直流电机控制器硬件设计
无刷直流电机控制器在控制方式上主要有以专用集成芯片、单片机和DSP芯片控制三种方式。
以专用集成芯片为核心的控制器，系统结构简单，价格较便宜，但是系统灵活性不足，保护功能有限:
以DSP芯片为核心的控制器，控制精度较高，但是算法较复杂，开发周期长，成本较高，不易在市场上推广。
本设计使用单片机作为主控芯片可以弥补上述两方案的不足。
3.1硬件组成
本控制器根据项目参数要求应具有如下功能:
（1）具有电动、定速、助力三种工作模式:
在电动模式下，控制系统能够根据电动车转把所给电压，正常加电运转;定速模式下，无需按住转把，电动车能够按照设定速度运行:
助力模式下，能够根据助力传感器测得的骑车者的用力实现助力骑行.三种工作模式可通过模式转换按钮切换。
（2）当系统出错或者位置传感器、助力传感器出错时能够进入自检模式并显示错误。
（3）能够实现系统的欠压保护、过流保护、堵转保护。
（4）能够实时显示电动车的状态。
根据上述功能，所设计的系统硬件框图。
如图3.1所示。
电源
电源语法错误，V
36V
50V
PWM
图3.1硬件系统框图
3.2三相全桥逆变电路和驱动电路
逆变电路和驱动电路是主控芯片与被控电机之间联系的纽带，其传输性能的好坏直接影响着整个系统的运行质量。
其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上各相绕组。
功率场效应晶体管具有开关速度快、高频特性好、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良、无二次击穿问题、安全工作区宽和跨导线性度高等显著特点，因而在各类中小功率开关电路中得到了广泛的应用。
在本控制系统中就采用了MOSFET组成的逆变器变换电路。
根据第二节所述，半桥逆变器的控制比较复杂，需要六组控制信号，电机三相绕组的工作也相对独立，必须对三相电流分别控制。
而全桥逆变器的控制比较简单，只需三组独立控制信号，且任一时刻导通的两相电流相等，只要对其中一相电流进行控制，另外一相电流也得到了控制.因此本设计采用全桥逆变电路来控制各相位的导通，如图2.2所示。
本设计中逆变器上下桥臂都采用N沟道MOSFET管，如图3.2所示。
P型MOSFET管由于工艺的原因，参数一致性较差，价格较贵，而且其内阻比N沟道的MOSFET管大，损耗也大。
因此，当前的无刷控制器一般都采用两个N沟道MOSFET管组成逆变器的一相。
当功率MOSFET管用作开关，被驱动饱和导通，即在它的两极之间压降最低时，其栅极驱动要求可概括如下:
（1）栅极电压一定要比漏极电压高10~15V，用作高压侧开关时其栅极电压必定高于干线电压，常常可能是系统中的最高电压.
（2）栅极电压从逻辑上看必须是可控的，它通常以地为参考点。
（3）栅极驱动电路吸收的功率不会显著地影响总效率。
本系统中功率MOSFET的漏极电压为36V，本系统的最高电源电压也为36V。
为满足栅极高于漏极10V~15V的要求，需要采用升压电路。
3.2.1顶端、底端驱动电路
（1）驱动电路
如图3.2所示，由于受到匹配电压的限制，顶端驱动电路无法直接与TTL器件匹配，
因此在电路中通过LM339用来间接匹配电压，匹配后的LM339输出端（当某相顶端驱动电路有效时，场效应器件VF1（或VF3,VF5）的栅极电压不低于46V，才能保证场效应管的充分导通.导通后，X1（或X2,X3电压与电池电压相同）。
由于MOSFET管的栅极绝缘栅易被击穿破坏，因此栅源间电压不得超过正负20V。
栅源间并联电阻或齐纳二极管，以防止栅源间电压过大。
本设计中，顶端驱动电路中的15V稳压二极管DZ2,DZ4和DZ6为保护二极管。
漏源间也要加保护电路以防止开关过程中因电压的突变而产生漏极尖峰电压损坏管子，可用齐纳二极管籍位.当电机意外突然停转时，电机绕组产生瞬间的反向高压可能会损坏功率管，所以在直流母线上并联一只耐高压电容，意外停机时，母线上产生的瞬间高压会由于电容两端电压不能突变而得到抑制。
底端电压驱动电路采用NE555内部推挽电路，利用单片机产生的PWM信号调制底端驱动信号，调制后的信号通过电阻藕合至底端驱动场效应管栅极，控制场效应管导通状态。
因为底端驱动电路中NE555功耗较大，因此需要为U8,U9和U10配上祸合电容C37,C39和C43。
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